Με σταθμούς παραγωγής ενέργειας υδρογόνου στην Καλιφόρνια, μια νέο Ιαπωνικό καταναλωτικό αυτοκίνητο και φορητές κυψέλες καυσίμου υδρογόνου για τα ηλεκτρονικά, το υδρογόνο ως πηγή καυσίμου μηδενικών εκπομπών γίνεται επιτέλους πραγματικότητα για τον μέσο καταναλωτή. Όταν συνδυάζεται με οξυγόνο παρουσία α καταλύτης, το υδρογόνο απελευθερώνει ενέργεια και συνδέεται με το οξυγόνο για να σχηματίσει νερό.
Η δύο βασικές δυσκολίες εμποδίζοντάς μας να έχουμε ενέργεια υδρογόνου όλα όσα έχουμε χώρος στο δίσκο και παραγωγή. Αυτή τη στιγμή, η παραγωγή υδρογόνου είναι ενεργοβόρα και δαπανηρή. Κανονικά, η βιομηχανική παραγωγή υδρογόνου απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες, μεγάλες εγκαταστάσεις και τεράστια ποσότητα ενέργειας. Στην πραγματικότητα, συνήθως προέρχεται από ορυκτά καύσιμα όπως το φυσικό αέριο – και επομένως δεν είναι στην πραγματικότητα πηγή καυσίμου μηδενικών εκπομπών. Η πραγματοποίηση της διαδικασίας φθηνότερη, αποτελεσματική και βιώσιμη θα συνέβαλλε σε μεγάλο βαθμό στο να γίνει το υδρογόνο πιο συχνά χρησιμοποιούμενο καύσιμο.
Μια εξαιρετική –και άφθονη– πηγή υδρογόνου είναι το νερό. Αλλά χημικά, αυτό απαιτεί την αντιστροφή της αντίδρασης κατά την οποία το υδρογόνο απελευθερώνει ενέργεια όταν συνδυάζεται με άλλες χημικές ουσίες. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να βάλουμε ενέργεια σε μια ένωση, για να βγάλουμε το υδρογόνο. Η μεγιστοποίηση της αποτελεσματικότητας αυτής της διαδικασίας θα αποτελούσε σημαντική πρόοδο προς ένα μέλλον καθαρής ενέργειας.
Μια μέθοδος περιλαμβάνει την ανάμειξη του νερού με μια χρήσιμη χημική ουσία, έναν καταλύτη, για να μειωθεί η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να σπάσουν οι συνδέσεις μεταξύ των ατόμων υδρογόνου και οξυγόνου. Υπάρχουν αρκετοί πολλά υποσχόμενοι καταλύτες για την παραγωγή υδρογόνου, μεταξύ των οποίων θειούχο μολυβδαίνιο, γραφένιο και θειικό κάδμιο. Η έρευνά μου επικεντρώνεται στην τροποποίηση των μοριακών ιδιοτήτων του θειούχου μολυβδαινίου για να κάνει την αντίδραση ακόμα πιο αποτελεσματική και πιο αποδοτική.
Παραγωγή υδρογόνου
Το υδρογόνο είναι το το πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν, αλλά σπάνια διατίθεται ως καθαρό υδρογόνο. Αντίθετα, συνδυάζεται με άλλα στοιχεία για να σχηματίσει πάρα πολλές χημικές ουσίες και ενώσεις, όπως οργανικούς διαλύτες όπως η μεθανόλη και πρωτεΐνες στο ανθρώπινο σώμα. Η καθαρή του μορφή, Η?, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μεταφερόμενο και αποδοτικό καύσιμο.
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι παραγωγής υδρογόνου να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο. Η ηλεκτρόλυση χρησιμοποιεί ηλεκτρισμό για να χωρίσει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο. Αναμόρφωση μεθανίου ατμού ξεκινά με το μεθάνιο (τέσσερα άτομα υδρογόνου συνδεδεμένα με ένα άτομο άνθρακα) και το θερμαίνει, διαχωρίζοντας το υδρογόνο από τον άνθρακα. Αυτή η ενεργοβόρα μέθοδος είναι συνήθως ο τρόπος με τον οποίο οι βιομηχανίες παράγουν υδρογόνο που χρησιμοποιείται σε πράγματα όπως η παραγωγή αμμωνίας ή η διύλιση πετρελαίου.
Η μέθοδος στην οποία εστιάζω είναι φωτοκαταλυτική διάσπαση νερού. Με τη βοήθεια ενός καταλύτη, η ποσότητα ενέργειας που χρειάζεται για να «διασπαστεί» το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο μπορεί να παρασχεθεί από έναν άλλο άφθονο πόρο - το φως. Όταν εκτίθεται στο φως, ένα κατάλληλο μείγμα νερού και καταλύτη παράγει τόσο οξυγόνο όσο και υδρογόνο. Αυτό είναι πολύ ελκυστικό για τη βιομηχανία γιατί στη συνέχεια μας επιτρέπει να χρησιμοποιούμε το νερό ως πηγή υδρογόνου αντί για βρώμικα ορυκτά καύσιμα.
Κατανόηση των καταλυτών
Ακριβώς όπως δεν ξεκινούν κάθε δύο άνθρωποι μια συνομιλία εάν βρίσκονται στον ίδιο ανελκυστήρα, ορισμένες χημικές αλληλεπιδράσεις δεν συμβαίνουν μόνο και μόνο επειδή εισάγονται τα δύο υλικά. Τα μόρια του νερού μπορούν να χωριστούν σε υδρογόνο και οξυγόνο με την προσθήκη ενέργειας, αλλά η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται θα ήταν μεγαλύτερη από αυτή που θα παρήχθη ως αποτέλεσμα της αντίδρασης.
Μερικές φορές χρειάζεται ένας τρίτος για να προχωρήσουν τα πράγματα. Στη χημεία, αυτό ονομάζεται καταλύτης. Από χημική άποψη, ένας καταλύτης μειώνει την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να αντιδράσουν δύο ενώσεις. Ορισμένοι καταλύτες λειτουργούν μόνο όταν εκτίθενται στο φως. Αυτές οι ενώσεις, όπως το διοξείδιο του τιτανίου, είναι που ονομάζονται φωτοκαταλύτες.
Με έναν φωτοκαταλύτη στο μείγμα, η ενέργεια που απαιτείται για τη διάσπαση του νερού μειώνεται σημαντικά, έτσι ώστε η προσπάθεια να συμψηφίζει ένα ενεργειακό κέρδος στο τέλος της διαδικασίας. Μπορούμε να κάνουμε τη διάσπαση ακόμα πιο αποτελεσματική προσθέτοντας μια άλλη ουσία, σε έναν ρόλο που ονομάζεται συν-καταλύτης. Οι συν-καταλύτες στην παραγωγή υδρογόνου μεταβάλλουν την ηλεκτρονική δομή της αντίδρασης, καθιστώντας την πιο αποτελεσματική στην παραγωγή υδρογόνου.
Μέχρι στιγμής, δεν υπάρχουν εμπορικά συστήματα για την παραγωγή υδρογόνου με αυτόν τον τρόπο. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο κόστος. Οι καλύτεροι καταλύτες και συν-καταλύτες που έχουμε βρει είναι αποτελεσματικοί στο να βοηθούν στη χημική αντίδραση, αλλά είναι πολύ ακριβοί. Για παράδειγμα, ο πρώτος πολλά υποσχόμενος συνδυασμός, το διοξείδιο του τιτανίου και η πλατίνα, ανακαλύφθηκε το 1972. Η πλατίνα, ωστόσο, είναι ένα πολύ ακριβό μέταλλο (πολύ πάνω από 1,000 δολάρια ΗΠΑ ανά ουγγιά). Ακόμη και το ρήνιο, ένας άλλος χρήσιμος καταλύτης, κοστίζει περίπου 70 δολάρια η ουγγιά. Μέταλλα σαν αυτά είναι τόσο σπάνια στον φλοιό της Γης που αυτό τα κάνει δεν είναι κατάλληλο για εφαρμογές μεγάλης κλίμακας παρόλο που αναπτύσσονται διαδικασίες για να ανακυκλώστε αυτά τα υλικά.
Εύρεση νέου καταλύτη
Υπάρχουν πολλές απαιτήσεις για έναν καλό καταλύτη, όπως το να μπορεί να ανακυκλωθεί και να μπορεί να αντέξει τη θερμότητα και την πίεση που εμπλέκονται στην αντίδραση. Αλλά εξίσου κρίσιμο είναι το πόσο κοινό είναι το υλικό, επειδή οι πιο άφθονοι καταλύτες είναι οι φθηνότεροι.
Ένα από τα νεότερα και πολλά υποσχόμενα υλικά είναι το σουλφίδιο του μολυβδαινίου, το MoS?. Επειδή αποτελείται από τα στοιχεία μολυβδαίνιο και θείο – και τα δύο σχετικά κοινά στη Γη – είναι πολύ φθηνότερο από τους πιο παραδοσιακούς καταλύτες, πολύ κάτω από ένα δολάριο ανά ουγγιά. Έχει επίσης τις σωστές ηλεκτρονικές ιδιότητες και άλλα χαρακτηριστικά.
Πριν από τα τέλη της δεκαετίας του 1990, οι ερευνητές είχαν διαπιστώσει ότι το θειούχο μολυβδαίνιο δεν ήταν ιδιαίτερα αποτελεσματικό στη μετατροπή του νερού σε υδρογόνο. Αλλά αυτό συνέβη επειδή οι ερευνητές χρησιμοποιούσαν παχιά κομμάτια του ορυκτού, ουσιαστικά τη μορφή που έχει όταν εξορύσσεται από το έδαφος. Σήμερα, ωστόσο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε διαδικασίες όπως χημική εναπόθεση ατμών or διαδικασίες που βασίζονται σε λύσεις να δημιουργήσετε πολύ λεπτότερους κρυστάλλους MoS; – ακόμη και στο πάχος ενός μόνο μορίου – που είναι πολύ πιο αποτελεσματικά στην εξαγωγή υδρογόνου από το νερό.
Κάνοντας τη διαδικασία ακόμα καλύτερη
Το θειούχο μολυβδαίνιο μπορεί να γίνει ακόμα πιο αποτελεσματικό με το χειρισμό των φυσικών και ηλεκτρικών του ιδιοτήτων. Μια διαδικασία γνωστή ως «αλλαγή φάσης» καθιστά διαθέσιμη περισσότερη ουσία για συμμετοχή στην αντίδραση παραγωγής υδρογόνου.
Όταν το θειούχο μολυβδαίνιο σχηματίζει κρυστάλλους, τα άτομα και τα μόρια στο εξωτερικό της στερεάς μάζας είναι έτοιμο να δεχθεί ή να δώσει ηλεκτρόνια στο νερό όταν διεγείρεται από το φως για να οδηγήσει τη δημιουργία υδρογόνου. Κανονικά, το MoS; μόρια στο εσωτερικό της δομής δεν θα δωρίσουν ούτε θα δέχονται ηλεκτρόνια εξίσου αποτελεσματικά με τις θέσεις άκρων, και έτσι δεν μπορεί να βοηθήσει τόσο με την αντίδραση.
Αλλά προσθέτοντας ενέργεια στο MoS; με βομβαρδίζοντάς το με ηλεκτρόνια, ή αυξάνοντας την πίεση του περιβάλλοντος, προκαλεί αυτό που ονομάζεται "αλλαγή φάσης" να συμβεί. Αυτή η αλλαγή φάσης δεν είναι αυτό που μαθαίνετε στη βασική χημεία (που περιλαμβάνει μια ουσία που παίρνει μορφές αερίου, υγρού ή στερεού) αλλά μάλλον μια ελαφρά δομική αλλαγή στη μοριακή διάταξη που αλλάζει το MoS; από ημιαγωγό σε μέταλλο.
Ως αποτέλεσμα, οι ηλεκτρικές ιδιότητες των μορίων στο εσωτερικό γίνονται διαθέσιμες και στην αντίδραση. Αυτό κάνει την ίδια ποσότητα καταλύτη δυνητικά 600 φορές πιο αποτελεσματικό στην αντίδραση εξέλιξης υδρογόνου.
Εάν οι μέθοδοι πίσω από αυτό το είδος ανακάλυψης μπορούν να τελειοποιηθούν, τότε μπορεί να είμαστε ένα μεγάλο βήμα πιο κοντά στο να κάνουμε την παραγωγή υδρογόνου φθηνότερη και πιο αποτελεσματική, κάτι που με τη σειρά του θα μας οδηγήσει σε ένα μέλλον που θα τροφοδοτείται από πραγματικά καθαρή, ανανεώσιμη ενέργεια.
Σχετικά με το Συγγραφέας
Peter Byrley, Ph.D. Υποψήφιος Χημικός Μηχανικός, Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, Riverside
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στις Η Συνομιλία. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.
Σχετικά βιβλία
at InnerSelf Market και Amazon
